CN114264225B - 电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法，包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC、具有推挽输出和高阻输入功能的IO口端的单片机U；电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。本发明在每个测量周期都可以判断电位器接触电阻大小，并判断电位器是否出现故障，突然失效可立即发现做出故障处理，避免使用错误测量值造成严重后果。本发明的运算与判断均由单片机软件完成，电路简单，实现容易，可靠性高。

Description

电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法

技术领域

本发明涉及测量转角电路技术领域，具体地说是一种电位器型转角传感器实时故障判别电路和判别方法。

背景技术

很多需要测量转角如遥控操作使用的电子摇杆、舵机摇臂转角控制、阀门开度闭环控制、液位测量等场合，需要使用转角传感器将被测转角转换为电信号后进行测量。

测量转角的元件有多种，其中电位器是最最廉价、简单的测量部件。

电位器通常是有三个引出端、输出信号与转角呈线性关系的电阻元件。通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与转角呈比例的电压。

典型电位器测量转角电路如图1所示，VR为转角测量用电位器，上端接入参考电压Vref，下端接入参考地G，电刷产生被测电压Vx，转角的变化使电刷在电阻体位置发生变化，进而使被测电压Vx发生变化，通过测量Vx的绝对值占据参考电压Vref的比例，可计算出被测转角大小。

典型电位器测量转角等效电路如图2所示，为方便分析将电位器VR等效为3个元件:被电刷分割的上半部分电阻Rup、下半部分电阻Rdown、电刷与电阻体的接触电阻Rcont。正常情况下总电阻即Rup与Rdown之和为电位器VR标称电阻值，约1kΩ~几十kΩ。接触电阻Rcont很小，约1Ω~100Ω。测量电路等效负载电阻Rload很大，约100kΩ~10MΩ。

将典型测量电路图1中电刷所在位置将电位器分割开的上端电阻Rup、下端电阻Rdown转换为理想电压源Vs来驱动测量电路等效负载电阻Rload后产生的输出等效电路如图2所示。图2中理想电压源Vs数值等于参考电压Vref作用在理想分压器Rup、Rdown产生的开路电压（理想电压源）即Vs=Vref*Rdown/(Rup+Rdown)。电位器内阻Rs=Rup*Rdown/(Rup+Rdown)，可看出当Rup=Rdown时Rs最大，数值为Rs=1/2*Rup=1/2*Rdown。电刷与电阻体接触电阻Rcont与Rs串联构成电位器总等效内阻Rcont+Rs。由于上端电阻Rup与下端电阻Rdown范围通常在0Ω~几十kΩ，得出电位器内阻Rs范围在0Ω~几十kΩ。

电位器性能正常时，接触电阻Rcont范围约1Ω~100Ω。由于电位器内阻Rs与接触电阻Rcont串联，则二者之和在电位器性能正常时范围在1Ω~几十kΩ间。由于测量电路等效负载电阻Rload很大，约100kΩ~10MΩ。从图3中可以看出，输出电压Vx等于电位器内阻Rs与接触电阻Rcont串联后与等效负载电阻Rload对理想电压源Vs分压后产生Vx，当电位器内阻Rs与接触电阻Rcont之和（Rs+Rcont）在1Ω~几十kΩ间变化时，第一输出电压Vx1≈理想电压源Vs，此时电位器内阻Rs与接触电阻Rcont之和（Rs+Rcont）对输出电压Vx影响可以忽略。

对图2进一步变换，将测量电路负载电阻Rload与理想电压源Vs、电位器内阻Rs合并后，得到等效电路如图3所示。其中Vx为测量电路得到的输出电压。由于进行了等效，使得Vx=Vs’。Vs’为等效电压源，Rs’为电压源等效内阻。可以看出当Rs+Rcont在1Ω~几十kΩ间变化时，等效电压源Vs’近似等于理想电压源Vs，Rs+Rcont对输出电压影响可以忽略。电位器电刷磨损后，接触电阻Rcont会增大，可以看出当Rcont从几十Ω增大至负载电阻Rload的10%时会导致等效电压源Vs’的电压变为Vs*Rload/(10%*Rload+Rload)=Vs/1.1=0.91*Vs，偏低了9%。由此看出输出电压变化受理想电压源Vs影响，也受接触电阻Rcont影响，当Rcont增加至等效负载电阻Rload的10%时，其带来的误差已达到1-0.91=0.09=9%。

如果能在Rcont增大到不超过负载电阻Rload的1％之前（即1kΩ~100kΩ，视负载电阻Rload而定）发现该情况，此时测量误差还未超过1%，就可及早判定电位器出现故障。

电位器VR是机械部件，由于电刷的存在并且在工作过程存在机械磨损和电阻材料老化（影响上端电阻Rup、下端电阻Rdown）、电刷的磨损与氧化（影响接触电阻Rcont）问题，就不可避免存在就不可避免存在寿命后期出现接触不良的缺点。虽可以通过改进工艺与材料提高电位器VR的寿命，但由于其机械属性的存在，磨损与老化问题就会始终存在。

电位器VR作为传感器使用时，如果其处于故障状态（上端电阻Rup或下端电阻Rdown不正确、接触电阻Rcont过大）就无法保证输出电压Vx与转角关系的正确性，此时系统若未发现电位器处于故障状态及时进入故障模式做出相应处理而使用了故障电位器输出的错误信号作为执行依据，在对转角测量正确性要求较高的场合就会产生较为严重的后果，如舵机摇臂转角控制、阀门开度控制、遥控操作摇杆角度测量等。

使用无接触式传感器例如霍尔、光栅类传感器或使用两个电位器VR同轴连接后进行信号校验操作可减少测量出错概率，但无接触式传感器成本较高，在对成本敏感的场合不适用。用两只电位器VR同轴连接后进行信号校验虽然成本不高并可通过校验发现电位器VR故障但构造与电路相对复杂，提高了故障率，还需要使用两个模数转换器（模数转换器ADC）分别测量两个电位器VR输出电压，提高了一倍成本。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种电位器型转角传感器实时故障判别电路，以解决现有技术中电位器电刷材料老化、磨损和对成本敏感的问题。

本发明的目的之一是这样实现的：一种电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC、具有推挽输出和高阻输入的IO口端的单片机U；电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。

进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：

参考电压Vref的正极端X一路接电位器VR上端，另一路接单片机U的供电电压VCC端；参考电压Vref的负极端Y接地。

输出电压Vx负极端接地，正极端接电位器VR的电刷。

单片机U控制开关K1和开关K2，IO口端连接在开关K1和开关K2之间。

所述单片机为STM32F103C8T6。

所述电位器VR有若干个上下端并联在一起，所述偏置电阻Rtest数量与所述电位器VR相同，并且一端与各自对应电位器VR电刷相连接，另一端分别与单片机具有推挽输出和高阻输入功能的IO口相连接。

本发明的目的之二就是提供一种电位器型转角传感器实时故障判别方法，以解决现有技术中无法对电位器进行低成本的实时故障判别的问题。

本发明的目的之二是这样实现的：一种电位器型转角传感器实时故障判别方法，包括如下步骤：

A、所述电位器型转角传感器实时故障判别方法应用于权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路；

B、由单片机U控制接通开关K1和开关K2，通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第一输出电压Vx1，通过单片机U运算出电位器内阻Rs=Rup*Rdown/(Rup+Rdown)；

C、由单片机U控制接通开关K1、断开开关K2，偏置电阻Rtest，将输出电压Vx连接至参考电压Vref,通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第二输出电压Vx2，由于电位器内阻Rs在步骤B中通过计算得出，通过单片机U计算出正电流接触电阻Rcont1；

D、由单片机U控制接通开关K2、断开开关K1，偏置电阻Rtest将输出电压Vx连接至参考地G；通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第三输出电压Vx3，由于电位器内阻Rs在步骤B中通过计算得出，通过单片机U计算出负电流接触电阻Rcont2；

E、通过单片机U来判断步骤C或步骤D计算的正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2数值是否正常，如果都正常，则使用步骤B中测量的第一输出电压Vx1数值计算转角角度；如果数值不正常，则判定为电位器VR出现故障，输出故障提示；

F、重复步骤B-步骤E的操作，以对转角器进行实时测量。

进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：

如果正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2的数值超出限定数值范围或者二者差值超过限定比例时，则判定为数值不正常；反之则判定数值正常。

本发明通过周期性（5ms或更短）快速的依次对电位器VR的输出电压Vx进行测量、计算正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2，通过对这两个数值的判断，来判定电位器VR是否出现故障，如果没有则通过第一输出电压Vx1来输出转角角度。连续重复上述操作就可以实时判断电位器VR是否出现故障而不影响系统工作。

本发明不增加电路使用的模数转换器ADC数量，仅增加偏置电阻Rtest、1个单片机IO口，增加成本少，利用IO口推挽输出特性进行计算正电流接触电阻Rcont1的数值、负电流接触电阻Rcont2的数值和转角角度测量（IO高阻输入模式），完成电位器接触电阻Rcont间接测量和转角角度测量的同时并进行故障判别。

本发明在每个测量周期都可以判断电位器接触电阻大小，并判断电位器VR是否出现故障，突然失效也可立即发现做出故障处理，避免使用错误的测量值造成严重后果。本发明的运算与判断均由单片机软件完成，电路简单，实现容易，可靠性高。

附图说明

图1是现有技术中的电路图。

图2是图1的等效电路。

图3是图2进一步变换后的等效电路。

图4是图5的简化电路。

图5是本发明的电路图。

图6是图4的等效电路。

图7是本发明的具体电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作列举性说明。

实施例1

如图5所示，本发明包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC、具有推挽输出和高阻输入的IO口端的单片机U。

电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；

单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。单片机U控制开关K1和开关K2，IO口端连接在开关K1和开关K2之间。所述单片机为STM32F103C8T6。

参考电压Vref的正极端X一路接电位器VR上端，另一路接单片机U的供电电压VCC端；参考电压Vref的负极端Y接地。

输出电压Vx负极端接地，正极端接电位器VR的电刷。电位器VR的电刷既与单片机AD转换器输入端口相连用于测量输出电压Vx，又通过偏置电阻Rtest与IO口端相连用于提供测量接触电阻Rcont的偏置信号。图6是图5的等效电路图。

电位器VR可以有若干个上下端并联在一起，偏置电阻Rtest数量与电位器VR相同，并且一端与各自对应电位器VR电刷相连接，另一端分别与单片机具有推挽输出和高阻输入功能的IO口相连接。

图7是本发明的一个具体的电路图。单片机采用型号为STM32F103C8T6的单片机。电位器VR有四个上下端并联在一起，电位器VR电刷分别与对应的偏置电阻Rtest连接在一起。具体地说，包括有电位器VR1、电位器VR2、电位器VR3和电位器VR4，同时对应的有偏置电阻Rtest1、偏置电阻Rtest2、偏置电阻Rtest3和偏置电阻Rtest4。

电位器VR1的电刷端接单片机STM32F103C8T6的引脚10，电位器VR2的电刷端接单片机STM32F103C8T6的引脚11，电位器VR3的电刷端接单片机STM32F103C8T6的引脚12，电位器VR4的电刷端接单片机STM32F103C8T6的引脚13。

偏置电阻Rtest1的另一端接接单片机STM32F103C8T6的引脚29，偏置电阻Rtest2的另一端接接单片机STM32F103C8T6的引脚30，偏置电阻Rtest3的另一端接接单片机STM32F103C8T6的引脚31，偏置电阻Rtest4的另一端接接单片机STM32F103C8T6的引脚32。

单片机STM32F103C8T6的引脚5通过电容C2接参考地GND、引脚6经过电容C3接参考地GND。引脚5和引脚6之间连接有并联连接的电阻RS和Y1，引脚24、引脚36、引脚48 和引脚9接供电电压VCC，引脚44接参考地GND。引脚7通过电容C1接参考地GND，通过电阻R9接供电电压VCC。

单片机U的PA0-PA7端口内部具有模数转换器ADC可测量电位器输出电压Vx，PA8-PA15为具有高阻输入与推挽输出的IO端口用于产生偏置，单片机同时测量4个电位器电压与状态。

输出电压Vx连接单片机U的电压测量模数转换器ADC输入，通过模数转换器ADC测量其数值供软件计算。开关K1和开关K2为单片机U具有高阻输入与推挽输出功能的IO口，用来接通与断开偏置电阻Rtest。参考电压Vref与单片机U电源连接，同时与电压测量模数转换器ADC公用，以降低成本。

由于模数转换器ADC的基准和电位器VR使用同一基准电压，在进行模-数转换后，所有参考电压Vref和输出Vx的数值做除法运算后会消掉电压单位，所以参考电压Vref的绝对数值不会影响电阻测量结果，而判断过程使用电阻数值，而非电压数值。

实施例2

本发明电位器型转角传感器实时故障判别方法，包括如下步骤：

A、电位器型转角传感器实时故障判别方法应用于实施例1中的电位器型转角传感器实时故障判别电路，该电路图为图5，图4是图5的简化电路，图6是图4的等效电路。

B、计算电位器内阻Rs。

由单片机U控制接通开关K1和开关K2，通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第一输出电压Vx1，通过单片机U运算出电位器内阻Rs=Rup*Rdown/(Rup+Rdown)。由于接触电阻Rcont在电位器VR彻底失效前范围约为1Ω~几十kΩ，负载电阻Rload对输出电压Vx影响很小。此时第一输出电压Vx1≈理想电压源Vs。就得到了等效理想电压源Vs电压。由于参考电压Vref、Rup+Rdown（电位器标称阻值）数值已知，根据分压比等于电阻比Vx1/Vref=Rdown/(Rup+Rdown)可计算出下端电阻Rdown=(Rup+Rdown)Vx1/Vref，上端电阻Rup=(Rup+Rdown)-Rdown进而计算出电位器内阻Rs=Rup//Rdown；

C、计算正电流偏置时的正电流接触电阻Rcont1。

由单片机U控制接通开关K1，断开开关K2，偏置电阻Rtest，将输出电压Vx连接至参考电压Vref，通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第二输出电压Vx2，此时Rs+Rcont1=Rtest*(Vx2-Vs)/(Vref-Vx2)，由于电位器内阻Rs在步骤B中通过计算得出，在计算结果中减去电位器内阻Rs即可得到正电流接触电阻Rcont1。

需要说明一个极端情况，就是当电位器VR的电刷在最上端时，从电路可以看出，第二输出电压Vx2≈理想电压源Vs=参考电压Vref，接通开关K1后，输出电压Vx2=参考电压Vref，此时Rs+Rcont1= Rtest*(Vx2-Vs)/(Vref-Vx2)= Rtest*(Vref-Vref)/(Vref-Vref)=Rtest*0/0。此时，分子分母会同时出现0，此时本步骤计算的结果无效需要忽略。

D、计算负电流偏置时的负电流接触电阻Rcont2。

由单片机U控制接通开关K2，断开开关K1，偏置电阻Rtest将输出电压Vx连接至参考地G。通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第三输出电压Vx3，此时Rs+Rcont2=Rtest*(Vs-Vx2)/Vx3。由于电位器内阻Rs在步骤B中通过计算得出，在结果中减去电位器内阻Rs即可得到负电流接触电阻Rcont2。

需要说明一个极端情况，就是当电位器VR的电刷在最下端时，从电路可以看出，输出电压Vx=0，接通开关K2后，得到第三输出电压Vx3=0，此时Rs+Rcont= Rtest*(Vs-Vx3)/Vx3= Rtest*(0-0)/0。此时，分子分母会同时出现0，此时本步骤计算的结果无效需要忽略。

E、通过单片机U来判断步骤C或步骤D计算的正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2数值是否正常，如果都正常，则使用步骤B中测量的第一输出电压Vx1数值计算转角角度。如果数值不正常，则判定为电位器VR出现故障，输出故障提示。

如果正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2的数值超出限定数值范围或者二者差值超过限定比例时，则判定为数值不正常；反之则判定数值正常。

具体地说，判断正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2数值是否在正常范围即可判定电位器VR是否出现故障。正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2的限定数值范围是10Ω-10kΩ，超出这个范围值，则可以说数据不正常。同时，正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2数值相差过多时，通常二者差值的百分比超过10%也认定为数据不正常。由于接触电阻Rcont由间接测量得出并具有一定误差，为达到既不会误判故障又能在故障出现时可靠判别的目的，通常取值10%可满足要求，需结合电路实际情况调整。

百分比的计算方法：若Rcont1比Rcont2相差多少百分比，则(Rcont1- Rcont2)/Rcont2x100%；若Rcont2比Rcont1相差多少百分比，则(Rcont2-Rcont1)/Rcont1x100%。

F、重复步骤B-步骤E的操作，以对转角进行实时测量。由于执行一次B-E操作只能获得一次测量结果，实时控制需要实时测量转角，就需要重复执行B-E操作。

Claims (8)

1.一种电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，包括有电位器VR、偏置电阻Rtest、以及包含有模数转换器ADC且具有推挽输出和高阻输入功能的IO口端的单片机U；电位器VR上端接参考电压Vref的正极端X，下端接参考地D，电刷接输出电压Vx的正极端；偏置电阻Rtest一端连接在电位器VR电刷端，另一端连接在节点A上；单片机U的供电电压VCC端接参考电压Vref的正极端X，输入模拟量Adin端接电位器VR的电刷，IO口端接节点A。

2.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，参考电压Vref的正极端X一路接电位器VR上端，另一路接单片机U的供电电压VCC端；参考电压Vref的负极端Y接地。

3.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，输出电压Vx负极端接地，正极端接电位器VR的电刷。

4.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，单片机U控制开关K1和开关K2，IO口端连接在开关K1和开关K2之间。

5.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，所述单片机为STM32F103C8T6。

6.根据权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路，其特征是，所述电位器VR有若干个上下端并联在一起，所述偏置电阻Rtest数量与所述电位器VR相同，并且一端与各自对应电位器VR电刷相连接，另一端分别与单片机具有推挽输出和高阻输入功能的IO口相连接。

7.一种电位器型转角传感器实时故障判别方法，其特征是，包括如下步骤：

A、所述电位器型转角传感器实时故障判别方法应用于权利要求1所述的电位器型转角传感器实时故障判别电路；

B、由单片机U控制接通开关K1和开关K2，通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电 压Vx，得到第一输出电压Vx1，通过单片机U运算出电位器内阻Rs=RupRdown/(Rup+ Rdown)；Rup为电位器上端电阻，Rdown为电位器下端电阻；

C、由单片机U控制接通开关K1、断开开关K2，偏置电阻Rtest将输出电压Vx连接至参考电压Vref,通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第二输出电压Vx2，由于电位器内阻Rs在步骤B中通过计算得出，通过单片机U计算出正电流接触电阻Rcont1；

D、由单片机U控制接通开关K2、断开开关K1，偏置电阻Rtest将输出电压Vx连接至参考地G；通过单片机内部的模数转换器ADC测量输出电压Vx，得到第三输出电压Vx3，由于电位器内阻Rs在步骤B中通过计算得出，通过单片机U计算出负电流接触电阻Rcont2；

E、通过单片机U来判断步骤C或步骤D计算的正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2数值是否正常，如果都正常，则使用步骤B中测量的第一输出电压Vx1数值计算转角角度；如果数值不正常，则判定为电位器VR出现故障，输出故障提示；

F、重复步骤B-步骤E的操作，以对转角器进行实时测量。

8.根据权利要求7所述的电位器型转角传感器实时故障判别方法，其特征是，如果正电流接触电阻Rcont1和负电流接触电阻Rcont2的数值超出限定数值范围或者二者差值超过限定比例时，则判定为数值不正常；反之则判定数值正常。